第五章詳細(xì)設(shè)計(jì)課件

第五章詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的根本目標(biāo)是確定應(yīng)該怎樣具體地實(shí)現(xiàn)所要求的系統(tǒng)。詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果基本上決定了最終的程序代碼的質(zhì)量。15.1結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)早在1965年，E.W.Dijkstra就提出結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的概念。

1966年，Bohm和Jacopini證明了只用三種基本的控制結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)任何單人口單出口的程序。這三種基本的控制結(jié)構(gòu)是“順序”、“選擇”和“循環(huán)”。2上圖中的（a）、（b）和（c）就分別是順序、選擇和循環(huán)的流程圖。3什么是結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)呢？

結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)是一個(gè)設(shè)計(jì)程序的技術(shù)，它采用自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的定義中還應(yīng)包括采用“主程序員組”這種人員組織形式。使用結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)也存在一些好處和一些缺點(diǎn)。

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從理論上說(shuō)只用那三種基本控制結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)任何單入口單出口的程序。但是為了實(shí)際使用方便，還常常允許使用DO-UNTIL和DO-CASE兩種控制結(jié)構(gòu)。它們的流程圖如上圖所示。55.2詳細(xì)設(shè)計(jì)的工具描述程序處理過(guò)程的工具稱為詳細(xì)設(shè)計(jì)的工具，它們可以分為圖形、表格和語(yǔ)言三類。不論是哪類工具，對(duì)它們的基本要求都是能提供對(duì)設(shè)計(jì)的無(wú)歧義的描述，也就是應(yīng)該能指明控制流程、處理功能、數(shù)據(jù)組織以及其他方面的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而在編碼階段能把對(duì)設(shè)計(jì)的描述直接翻譯成程序代碼。65.2.1程序流程圖

程序流程圖又稱為程序框圖，它是歷史最悠久使用最廣泛的描述軟件設(shè)計(jì)的方法。它使用了一些系統(tǒng)流程圖中沒(méi)有的符號(hào)。如下圖所示：7

程序流程圖一直是軟件設(shè)計(jì)的主要工具。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)控制流程的描繪很直觀，便于初學(xué)者掌握。它的主要缺點(diǎn)是：

1.程序流程圖本質(zhì)上不是逐步求精的好工具。它誘使程序員過(guò)早的考慮程序的控制流，而不去考慮程序的全局結(jié)構(gòu)。

2.程序流程圖中用箭頭代表控制流，因此程序員可以不受任何約束，可以完全不顧結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的精神，隨意轉(zhuǎn)移控制。

3.程序流程圖不易表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。85.2.2盒圖（N_S圖）

這種盒圖是不允許違背結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)精神的圖形工具。它有下述特點(diǎn)：1.功能域明確，可以從盒圖上看出來(lái)。

2.不可能任意轉(zhuǎn)移控制。

3.很容易確定局部和全程數(shù)據(jù)的作用域。4.很容易表現(xiàn)嵌套關(guān)系，也可以表示模塊的層次結(jié)構(gòu)。9上圖給出了結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)和調(diào)用子程序的盒圖表示方法。105.2.3PAD圖

PAD是問(wèn)題分析圖（ProblemAnalysisDiagram)的英文縮寫。它用二維樹(shù)形結(jié)構(gòu)的圖來(lái)表示程序的控制流。下圖給出了PAD圖的基本符號(hào)：其中:（a）順序（先執(zhí)行P1后執(zhí)行P2）（b）選擇（IFCTHENP1ELSE

P2）（c）CASE型對(duì)分支（d）WHILE型循環(huán)（WHILECDOP）（e）UNTIL型循環(huán)（REPEATPUNTILC）（f）語(yǔ)句標(biāo)號(hào)（g）定義11PAD圖的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)使用表示結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)的PAD符號(hào)所設(shè)計(jì)出來(lái)的程序必然是結(jié)構(gòu)化程序。(2)PAD圖所描繪的程序結(jié)構(gòu)十分清晰。上圖最左邊的豎線是程序的主線，PAD圖中豎線的總條數(shù)就是程序的層次數(shù)。(3)用PAD圖表現(xiàn)程序邏輯，易讀，易懂，易記。(4)容易將PAD圖轉(zhuǎn)換成高級(jí)語(yǔ)言源程序。(5)即可用于表示程序邏輯，也可用于描繪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。(6)PAD圖的符號(hào)支持自頂向下、逐步求精方法的使用。12

使用PAD圖，開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)者可以定義一個(gè)抽象的程序，隨著設(shè)計(jì)工作的深入而使用def符號(hào)逐步增加細(xì)節(jié)，直到完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，如下圖所示：135.2.4判定表

判定表能夠清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動(dòng)作之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一張判定表由四部分組成：

左上部列出所有條件。

左下部是所有可能做的動(dòng)作。

右上部是表示各種條件組合的一個(gè)矩陣。

右下部是和每種條件組合相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。判定表右半部的每一列實(shí)質(zhì)上是一條規(guī)則，規(guī)定了與特定的條件組合相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。14下面以行李托運(yùn)費(fèi)的算法為例說(shuō)明判定表的組織方式。假設(shè)某航空公司規(guī)定，乘客可以免費(fèi)托運(yùn)重量不超過(guò)30公斤的行李。當(dāng)行李重量超過(guò)30公斤時(shí)，對(duì)頭等艙的國(guó)內(nèi)乘客超重部分每公斤收費(fèi)4元，對(duì)其他艙的國(guó)內(nèi)乘客超重部分每公斤收費(fèi)6元，對(duì)國(guó)外乘客超重部分每公斤收費(fèi)比國(guó)內(nèi)乘客多一倍，對(duì)殘疾乘客超重部分每公斤比正常乘客少一半。用判定表可以清楚的表示與上述每種條件組合相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作(算法)，如下頁(yè)圖所示：其中“T”表示條件成立，“F”表示條件不成立，空白表示這個(gè)條件的成立與否并不影響對(duì)動(dòng)作的選擇。畫“×”表示做它左邊的那項(xiàng)動(dòng)作，空白表示不做這項(xiàng)動(dòng)作。15165.2.5判定樹(shù)

判定樹(shù)是判定表的變種，也能清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動(dòng)作之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是一種比較常用的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)工具。與上表判定表對(duì)應(yīng)的判定樹(shù)如下：175.2.6過(guò)程設(shè)計(jì)語(yǔ)言(PDL)

PDL也稱為偽碼，它是用正文形式表示數(shù)據(jù)和處理過(guò)程的設(shè)計(jì)工具。PDL具有嚴(yán)格的關(guān)鍵字外部語(yǔ)法，用于定義控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然而，PDL表示實(shí)際操作和條件的內(nèi)部語(yǔ)法通常又是靈活自由的，以便可以適應(yīng)各種工程項(xiàng)目的需要，它使用一種語(yǔ)言的詞匯，卻使用另一種語(yǔ)言的語(yǔ)法。它具有以下特點(diǎn)：1.關(guān)鍵字的固定語(yǔ)法，它提供了結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)說(shuō)明和模塊化的特點(diǎn)。

2.自然語(yǔ)言的自由語(yǔ)法，它描述處理特點(diǎn)。

183.數(shù)據(jù)說(shuō)明的手段既包括簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又包括復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。4.模塊定義和調(diào)用的技術(shù)，應(yīng)該提供各種接口描述模式。

PDL作為一種設(shè)計(jì)工具還有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

1.可以作為注釋直接插在源程序中間。2.可以使用普通的正文編輯程序或文字處理系統(tǒng)，很方便地完成PDL的書寫和編輯工作。

3.已經(jīng)有自動(dòng)處理程序存在，而且可以自動(dòng)由PDL生成程序代碼。195.2.7模塊開(kāi)發(fā)文件夾

模塊開(kāi)發(fā)文件夾是組織和保存在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程種不斷產(chǎn)生出來(lái)的文檔資料的一種有效方法，用這種方法保存和管理文檔既方便又容易查閱。文件夾的封面上列出工程項(xiàng)目的名稱、模塊名字、程序員姓名、完成日期、修改日期、源程序行數(shù)、目標(biāo)代碼長(zhǎng)度、對(duì)模塊的簡(jiǎn)要描述、以及設(shè)計(jì)、編碼、單元測(cè)試和集成測(cè)試等階段的起止時(shí)間等等。文件夾內(nèi)應(yīng)該保存對(duì)模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果的描述、源程序清單、測(cè)試時(shí)間、修改的源程序清單、最終的源程序清單、測(cè)試方案、測(cè)試軟件和測(cè)試結(jié)果等等。205.3Jackson程序設(shè)計(jì)方法

Jackson程序設(shè)計(jì)方法是面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，也就是用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。它的最終目的是得出對(duì)程序處理過(guò)程的描述，因此，這種方法最適合于在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段使用，也就是在完成了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，可以使用面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法來(lái)設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的處理過(guò)程。215.3.1Jackson圖它的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有三種：順序、選擇和重復(fù)。

順序結(jié)構(gòu)：它的數(shù)據(jù)由一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)元素組成，每個(gè)元素按確定次序出現(xiàn)一次。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

22

選擇結(jié)構(gòu)：它的數(shù)據(jù)包括兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)元素，每次使用這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)按一定條件從這些數(shù)據(jù)元素中選擇一個(gè)。下圖所示的是三個(gè)中選一個(gè)結(jié)構(gòu)的Jackson圖：23

重復(fù)結(jié)構(gòu)：它的數(shù)據(jù)，根據(jù)使用時(shí)的條件由一個(gè)數(shù)據(jù)元素出現(xiàn)零次或多次構(gòu)成。下圖表示重復(fù)結(jié)構(gòu)的Jackson圖：24Jackson圖有下述優(yōu)點(diǎn)：便于表示層次結(jié)構(gòu)，而且是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自頂向下分解的有力工具。形象直觀可讀性好。既能表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也能表示程序結(jié)構(gòu)。255.3.2改進(jìn)的Jackson圖

上面介紹的Jackson圖的缺點(diǎn)是，用這種圖形工具表示選擇或重復(fù)結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇條件或循環(huán)結(jié)束條件不能直接在圖上表示出來(lái)，影響了圖的表達(dá)能力，也不易直接把圖翻譯成程序，此外，框間連線為斜線，不易在行式打印機(jī)上輸出。為了解決上述問(wèn)題，建議使用改進(jìn)的Jackson圖。如下頁(yè)圖所示：26275.3.3Jackson方法

Jackson結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法基本上由下述五個(gè)步驟組成：1.分析并確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，并用Jackson圖描述這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.找出輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元。3.從描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Jackson圖導(dǎo)出描繪程序結(jié)構(gòu)的Jackson圖。4.列出所有操作和條件，并且把它們分配到程序結(jié)構(gòu)圖的適當(dāng)位置。5.用偽代碼表示程序。28其中第三條需要根據(jù)下列規(guī)則：

第一，為每對(duì)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元，按照它們?cè)跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖中的層次在程序結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)層次畫一個(gè)處理框。第二，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中剩余的每個(gè)數(shù)據(jù)單元所處的層次，在程序結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)層次分別為它們畫上對(duì)應(yīng)的處理框。第三，根據(jù)輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中剩余的每個(gè)數(shù)據(jù)單元所處的層次，在程序結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)層次分別為它們畫上對(duì)應(yīng)的處理框。29Jackson方法中使用的偽碼和Jackson圖是完全對(duì)應(yīng)的，下面是和三種基本結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的偽碼。和圖5.11（a）所示的順序結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的偽碼：其中‘seq’和‘end’是關(guān)鍵字。

AseqBCDAend

30和圖5.11（b）所示的選擇結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的偽碼，其中‘select’、‘or’和‘end’示關(guān)鍵字，cond1、cond2和cond3分別是執(zhí)行B、C和D的條件：

Aselectcond1BAorcond2CAorcond3DAend31和圖5.11（d）所示重復(fù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的偽碼，其中‘iter’、‘until’、‘while’和‘end’是關(guān)鍵字（重復(fù)結(jié)構(gòu)有until和while兩種形式），cond是條件：

Aiteruntil(或while)condBAend32舉例：一個(gè)正文文件由若干記錄組成，每個(gè)記錄是一個(gè)字符串。要求統(tǒng)計(jì)每個(gè)記錄中空格字符的個(gè)數(shù)，以及文件中空格字符的總個(gè)數(shù)。要求的輸出數(shù)據(jù)格式是，每復(fù)制一行輸入字符串之后，另起一行印出這個(gè)字符串中的空格數(shù)，最后印出文件中空格的總個(gè)數(shù)。解析：對(duì)于這個(gè)簡(jiǎn)單的例子而言。

第一步：確定輸入和輸出數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。下圖是用Jackson圖描繪的輸入/輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3334

第二步：在確定了輸入/輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，下一步是分析確定在輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中由有對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元。

第三步：從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)出程序結(jié)構(gòu)圖。如下：35

第四步：列出所有操作和條件，并且把它們分配到程序結(jié)構(gòu)圖的適當(dāng)位置。首先，列出統(tǒng)計(jì)空格個(gè)數(shù)需要的全部操作和條件如下：（1）停止（2）打開(kāi)文件（3）關(guān)閉文件（4）印出字符串（5）印出空格數(shù)目（6）印出空格總數(shù)（7）sum:=sum+1（8）totalsum:=totalsum+sum（9）讀入字符串（10）sum:=0（11）totalsum:=0（12）pointer:=1（13）pointer:=pointer+1I（1）文件結(jié)束I（2）字符串結(jié)束S（3）字符是空格其中，sum是保存空格個(gè)數(shù)的變量，totalsum是保存空格總數(shù)的變量，pionter是指示當(dāng)前分析的字符的在字符串中的位置的變量。得到如下圖形：3637

第五步：用偽碼表示程序處理過(guò)程。從圖5.14可以得出下列代碼：統(tǒng)計(jì)空格seq打開(kāi)文件讀入字符串totalsum：=0程序體iteruntil文件結(jié)束處理字符串seq印字符串seq印出字符串印出字符串endsum：=0pointer：=1分析字符串iteruntil字符串結(jié)束分析字符select字符是空格處理空格seqsum：=sum+1pointer：=pointer+1處理空格end38分析字符or字符不是空格處理非空格seqpointer：=pointer+1處理非空格end分析字符end分析字符串end印空格數(shù)seq印出空格數(shù)目印空格數(shù)endtotalsum：=totalsum+sum讀入字符串處理字符串end程序體end印總數(shù)seq印出空格總數(shù)印總數(shù)end關(guān)閉文件停止統(tǒng)計(jì)空格end395.5程序復(fù)雜程度的定量度量

定量度量程序復(fù)雜程度的方法很有價(jià)值：把程序的復(fù)雜程度乘以適當(dāng)常數(shù)即可估算出軟件中故障的數(shù)量以及軟件開(kāi)發(fā)需要用的工作量，定量度量的結(jié)果可以用來(lái)比較兩個(gè)不同的設(shè)計(jì)或兩個(gè)不同算法的優(yōu)劣；程序的定量的復(fù)雜程度可以作為模塊規(guī)模的精確限度。這里著重介紹使用比較廣泛的McCabe方法和Halstead方法。405.5.1McCabe方法使用McCabe方法首先需要畫出程序圖。所謂程序圖可以看成是“退化了的”程序流程圖，也就是把程序程序流程圖中每個(gè)處理符號(hào)都退化成一個(gè)點(diǎn)，原來(lái)連接不同處理符號(hào)的箭頭變成連接不同點(diǎn)的有向弧，這樣的有向圖就稱為程序圖。用McCabe方法度量得出的結(jié)果稱為程序的環(huán)形復(fù)雜度，它等于強(qiáng)連通的程序圖中線性無(wú)關(guān)的有向環(huán)的個(gè)數(shù)。通常稱程序圖中開(kāi)始點(diǎn)后面的那個(gè)節(jié)點(diǎn)為入口點(diǎn)，稱停止點(diǎn)前面的那個(gè)節(jié)點(diǎn)為出口點(diǎn)。從程序流程圖導(dǎo)出程序圖如下頁(yè)所示：41421.環(huán)形復(fù)雜度的計(jì)算方法根據(jù)圖論，在一個(gè)強(qiáng)連通的有向圖中線形無(wú)關(guān)環(huán)的個(gè)數(shù)由下面的公式給出：V(G)=m-n+p其中V(G)是有向圖G中的環(huán)數(shù)，m是有向圖G中的弧數(shù)；n是有向圖G中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；p是有向圖G中分離部分的數(shù)目。對(duì)于一個(gè)正常的程序來(lái)說(shuō)，應(yīng)該能夠從程序圖內(nèi)的入口點(diǎn)到達(dá)圖中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，程序圖總是連通的，也就是說(shuō)，p=1。43強(qiáng)連通圖是指從圖中任一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)都可以到達(dá)所有其他節(jié)點(diǎn)。程序圖通常不是強(qiáng)連通的，因?yàn)閺膱D中較低的（即較靠近出口點(diǎn)的）節(jié)點(diǎn)往往不能到達(dá)較高的節(jié)點(diǎn)。然而，如果從出口到入口點(diǎn)畫一條虛弧，則程序圖必然成為強(qiáng)連通的。做出這個(gè)結(jié)論有下述三點(diǎn)理由：(1)從入口點(diǎn)總能到達(dá)圖中任何一點(diǎn)；(2)從圖中任何一點(diǎn)總能到達(dá)出口點(diǎn)；(3)經(jīng)過(guò)從出口點(diǎn)到入口點(diǎn)的弧，可以從出口點(diǎn)到達(dá)入口點(diǎn)。44圖5.24(b)不是強(qiáng)連通的，必須增加一條從出口點(diǎn)j到入口點(diǎn)b的虛弧，結(jié)果如下圖所示：452.環(huán)形復(fù)雜度的用途

程序的環(huán)形復(fù)雜度取決于程序控制流的復(fù)雜程度，也即是取決于程序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。當(dāng)程序內(nèi)分支或循環(huán)個(gè)數(shù)增加時(shí)，環(huán)形復(fù)雜度也隨之增加，因此它是對(duì)測(cè)試難度的一種定量度量，也能對(duì)軟件最終的可靠性給出某種預(yù)測(cè)。McCabe研究大量程序后發(fā)現(xiàn)，環(huán)形復(fù)雜度高的程序往往是最困難、最容易出問(wèn)題的程序。實(shí)驗(yàn)表明，模塊規(guī)模以V(G)≤10為宜，也就是說(shuō)，V(G)=10是